所有人都以為沙子是這樣落的，直到25年前物理學家發現了一個奇怪現象

撰文 七君

你玩過沙子或沙漏吧？

沙子落下時，是什麼樣的？如果你在世界上的大部分地區，沙子落下來堆積成丘的時候，應該是均勻向下四處擴散的對吧。

類似於這樣——

這個現象好像放之四海而皆準，以至於物理學家為沙丘的這種增長模式取了一個名字——雪崩動態（avalanche dynamics）。

雪崩動態一般是由丹麥理論物理學家 Per Bak、湯超（目前是北京大學前沿交叉學科研究院執行院長）和美國物理學家 Kurt Wiesenfeld 在1987年提出的自組織臨界性（SOC）理論解釋的。但是在25年前，雪崩動態和SOC理論不靈了。

1995年，來自古巴哈瓦那大學的物理學家 Ernesto Altshuler 為了向學生演示沙丘的雪崩動態，找了一些沙子做實驗。奇怪的是，這些沙子並沒有按照雪崩動態聚集成沙丘。我們先來看圖——

是的，這些沙子並沒有均勻地從沙丘頂部向下方滾動，而是扭成了一條沙蛇，而附近的沙粒並不受影響。更有趣的是，這條沙蛇有時是順時針旋轉的，有時是逆時針的，並沒有固定的方向，但只要一開始沙蛇的方向確定，之後就不再變化了。

根據 Altshuler 的自述，他當時感到震驚和憤怒，因為自己製造的沙丘違反了經典的 SOC 理論，這樣要如何和學生解釋呢？

Altshuler 一時半會兒也想不出辦法，於是就把這些沙子和裝置封存了起來。但是5年後，這些沙子又一次讓物理學家們感到驚奇。

Ernesto Altshuler 圖片來源：Science magazine

2000年，Altshuler 來到休斯頓大學 Paul C.W. Chu 的組裡做博士後研究。Chu 是德州超導中心的創始人，而休斯頓大學也是 SOC 理論的主要根據地之一。

在那裡，他認識了休斯頓大學的物理學家 Kevin Bassler 以及 SOC 理論創始人之一的 Per Bak 的妻子 Maya Paczuski。

實際上，Kevin Bassler 原本是 SOC 理論的堅定支持者，但是 Altshuler 告訴他，SOC 可能不符合實際。Bassler 顯得非常興奮，他說：「Ernesto，這件事很重要，我大不相信。」

為了向 Bassler 展示迷人的沙蛇，Altshuler 去學校停車場拿了一些沙子來做實驗。可是，這些沙子並沒有展示出沙蛇的效果。他覺得很尷尬，於是讓在古巴的學生去拿當時他用過的沙子重新測試一下。結果，古巴的沙子確實產生了沙蛇現象。

回到古巴後，他馬上拍攝了沙蛇的視頻發給 Bassler。這個現象引起了 Bassler 和 Per Bak 的濃厚興趣，Per Bak 甚至提出要來看看 Altshuler 的實驗。

之後，Bassler 和 Altshuler 開始合作研究。在2003年和2008年，他們將相關實驗結果分別發表在 Physical Review Letters和Physical Review E上。

原來，並不是所有的沙丘都是以雪崩形式累積而成的。不過，世界上只有少數地區的沙子才能做出沙蛇的效果。

Altshuler 的沙子是從哈瓦那大學的材料研究所的儲藏室取的。後來，他才知道這些沙子來自 Santa Teresa，這個地方離哈瓦那大概有200千米的距離。而這些沙子本來是要被用來製造半導體的。

Santa Teresa 的沙子的純度很高，顆粒直徑大概是0.2毫米，從外觀上看和其他沙子沒有什麼差別。可是為什麼那裡的沙子才具有沙蛇的性質呢？

為了搞清楚這個問題，在2006年，Altshuler 帶著這種沙子來到法國斯特拉斯堡大學的物理研究所（Institut de Physique du Globe de Strasbourg）。那裡的研究者對 Santa Teresa 沙子進行電子顯微鏡掃描和其他試驗。可惜的是，他們並沒有找到這個地方沙子與眾不同的答案。

電子顯微鏡下，Santa Teresa的沙子（a）看起來和富含碳酸鈣的沙子（b）以及普通沙子（c）沒有什麼不同，但是其他兩種沙子並不會產生沙蛇。圖片來源：（DOI）10.1007/978-3-319-51624-0_3

更奇怪的是，Santa Teresa 的沙子樣品雖然一開始有沙蛇現象，但是重複幾次後卻變「正常」了，這讓研究者們感到很困惑。

摩洛哥西南部的鳴沙被當地人稱為"barkhanes"。圖片來源：H. Raguet/CNRS Photothèque

當然，以前也發生過類似的事。摩洛哥的 Ghord Lahmar 地區有一種著名的鳴沙，鳴沙在野外會發出「歌聲」。但是鳴沙被帶到實驗室一段時間後，就會慢慢失去唱歌的技能。

當然，鳴沙變啞炮的問題已經被解決，這是因為鳴沙表面慢慢形成了一層矽膠。但是 Santa Teresa 沙子失去沙蛇技能的問題現在還沒有人知道答案。

不過，世界上是不是只有哈瓦那才出產能舞動的沙子呢？

倒也不是。Altshuler 在得知哈瓦那大學的 Eros Salinas 愛好收藏沙子後，就去取了不同沙子進行了沙丘實驗。結果發現，在全世界採集的100份不同沙子樣品中，有11份展現出了沙蛇現象。

實際上，普通沙子在堆積成丘時，沙蛇會存在很短的一段時間，但是 Santa Teresa 沙子卻能長期保留這種狀態。

到目前為止，還沒有人能很好地解釋沙蛇現象，也沒有人能解開 Santa Teresa 沙子的奧秘。雖然不知道原理，但是 Altshuler 和 Bassler 做了許多實驗，詳細描述了沙蛇的運動。

首先，如果沙子是被堆在水平面上，那麼沙蛇繞沙丘一圈的時間會越來越長。

但是，如果沙子被堆在一個圓柱形的容器中，那麼沙蛇繞一圈的時間是不變的。

如果沙丘底部直徑比較大，沙蛇的運動是離散的，類似於秒針的轉動。

其次，旋轉沙蛇還有一個奇怪的特點，那就是如果沙丘比較小，那麼沙蛇的運動是連續的，如果沙丘比較大，那麼它的運動就是離散的，類似於秒針轉動。

他們還發現，如果離散沙蛇出現，沙丘就會更加緊實，而連續的沙蛇堆積的沙丘更為鬆散。

一些地理現象可能和沙蛇的類型有關，在工業上，比如在儲存穀物時這個知識也可能有用。下次玩沙子的時候，好好留意一下你的沙子是不是具有奇特技能的那十分之一吧。

一些 sha 子看起來和別人沒什麼兩樣，沒想到聚起來可以變成動態沙雕。

20 世紀物理學(全3卷)

Twentieth Century Physics

(美)布朗(Brown, L.M.)等編

劉寄星等 譯

北京：科學出版社

20 世紀是物理學的世紀, 物理學在20 世紀取得了突破性的進展, 改變了世界以及世界和人們對世界的認識。本書是由英國物理學會、美國物理學會組織發起, 由各個領域的知名學者（有很多是相關領域的奠基者、諾貝爾獎獲得者）執筆撰寫, 系統總結20 世紀物理學進展的宏篇巨著, 其內容涵蓋了物理學各個分支學科和相關的應用領域。全書共分3 卷27 章, 最後一章為3 位物理學大家對20 世紀物理學的綜合思考和對新世紀物理學的展望。本書可供物理學科研工作者、教師、物理學相關專業的研究生、高年級本科生, 以及對物理學感興趣的人員使用。

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本期編輯丨王芳

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https://shimo.im/docs/TRpqrCWhwVPVXRRH/